Введение
Интерес к данной теме проявляли физиологи, математики и физики еще с начала 1960-х гг. [1], однако из-за трудностей с физиологической интерпретацией это направление развивалось довольно медленно. И только в начале XXI в. благодаря работам математиков была предложена теория кардиореспираторной координации (Cardiorespiratory coordination) [2], согласно которой анализируется время между респираторным началом (началом вдоха) и предшествующим R-пиком. В ходе исследований было впервые изучено взаимодействие этих двух слабосвязанных хаотических осцилляторов, и обнаружена синхронизация их фаз [3].Кроме того, для анализа взаимосвязи дыхания и частоты сердечных сокращений в настоящее время используются несколько концепций и понятий, основанных на многочисленных методах теории синхронизации, а также методах оценки амплитуды дыхательной аритмии [4], на классических методах вычисления кросс-корреляционных и кросс-спектральных функций [5, 6].
Кардиореспираторная связь является двусторонней, но если многочисленные взаимодополняющие механизмы, опосредующие влияние дыхания на сердечно-сосудистую функцию, описаны и известны давно, то механизмы, опосредующие влияние сердечно-сосудистой системы на дыхание, в настоящее время только идентифицируются [7]. В ходе последних исследований [7] обнаружена ранее неизвестная зависимость между сердечной активностью и частотой дыхания, что может указывать на существование механизма инициации вдоха (процесса вдыхания) сердечным ритмом.
Одним из заболеваний, при которых страдает регуляция ритма дыхательной функции, в неврологии и оториноларингологии является заикание. В этой работе мы исследуем кардиореспираторную координацию с использованием графических и математико-статистических методов измерений на двух выборках: у пациентов, страдающих заиканием, и у субъектов без заикания. Сердечный ритм оценивался с помощью электрокардиограммы (ЭКГ) с регистрацией R-пиков. Дыхательный ритм оценивался для неречевого дыхания, которое, как известно, у заикающихся имеет свои особенности: оно, как правило, поверхностное, а ритм его недостаточно устойчив. При этом многие исследователи склонны относить причину заикания к нарушению регуляции дыхательной функции [8], что повышает интерес к изучению таких регуляторов.
Учитывая обоюдное модулирующее действие дыхательного и сердечного ритма, справедливо предположить, что нарушение регуляции дыхательной функции при заикании может проявляться изменением кардиореспираторной координации, оказывая патологическое влияние и на другие слабосвязанные с дыханием осциллирующие системы человеческого организма, например сердечный ритм.
Цель исследования заключается в том, чтобы на основе предлагаемых показателей кардиореспираторной координации изучить кардиореспираторную связь у больных с заиканием.
Материал и методы
ЭКГ (II стандартное отведение) и данные о некалиброванном потоке воздуха из носа, полученные с помощью термисторного датчика, регистрировались одновременно у 12 здоровых субъектов (медиана возраста (Mn) 25 лет, нижний квартиль (lower quartile — LQ) 23,5 года, верхний квартиль (upper quartile — UQ) 37,5 года, межквартильный диапазон (interquartile range — IQR) 14 лет) и у 23 заикающихся пациентов (Mn — 24 года, LQ — 16 лет, UQ — 29 лет, IQR — 13 лет) с использованием портативного устройства «ВНС-Спектр».Данные каждого испытуемого были записаны в состоянии покоя в положении сидя в течение 5 мин, для анализа использовались данные 2-й мин. ЭКГ была записана с частотой 200 Гц. Данные регистрировались на ПК в программном обеспечении прибора «ВНС-Спектр» и анализировались с использованием программы Octave (4.2.2 Released, лицензия GPL). Время автоматически идентифицированных R-пиков визуально контролировалось и редактировалось (<0,2% всех R-пиков).
Частота дискретизации назального потока воздуха также составляла 200 Гц. Отслеживаемые показатели дыхания были сохранены в файле. Для трассировки дыхания предварительной обработки или фильтрации не требовалось, поскольку трассировка была гладкой. Циклы дыхания (здесь используется понятие «инспираторные циклы», чтобы подчеркнуть важность момента вдоха в исследовании) на получаемом графике разделялись локальными минимумами регистрируемой температуры, поскольку локальные минимумы обусловлены изменением температуры термистора от действия выдыхаемого теплого воздуха до вдыхания более холодного окружающего воздуха. Время автоматически идентифицированных минимумов на кривой дыхания визуально контролировалось, отмечалось и редактировалось.
Анализ кардиореспираторной координации проводился по методике, предложенной D. Cysarz et al. (рис. 1) [9], по следующим направлениям:
расчет показателей, связанных соотношением m:n (где m — количество сердечных сокращений, n — количество инспираторных циклов):
а) частота инспираторных циклов определенного соотношения m:n, наиболее частое соотношение m:n у разных пациентов в разных группах;
б) средняя длина инспираторной последовательности из n дыхательных циклов с определенным соотношением m:n;
в) пропорция (доля) дыхательных циклов, состоящих в последовательности, среди всех дыхательных циклов;
расчет временных расстояний между маркерами событий двух временных рядов. Для этого вычислялось расстояние на временной шкале между началом вдоха и предыдущим R-пиком. В результате расчетов получалась доля инспираторных циклов в последовательностях из всех инспираторных циклов с Dj = ⎜ji+m– ji⎜, не превышающих значения принятой погрешности e.
Кроме этого, для визуализации кардиореспираторной координации был использован метод обнаружения «повторов фаз». Этот метод основан на эвристическом подходе. Для наглядного представления использовалась специальная диаграмма (синхрограмма), на которой отмечались значения на временной шкале регистрации относительного расстояния ji каждого R-пика. Если в последовательности относительное расстояние ji каждого m-го R-пика не превышает заданной погрешности ε=0,025, то из отдельных точечных значений ji формируются горизонтальные линии. В противном случае параллельные горизонтальные линии не появятся. Это «повторение фаз» может быть использовано для идентификации согласованных последовательностей [10].
Для проверки наличия m:n-координации выяснялось, находится ли разность фаз между фазой R-пика i+m и фазой R-пика i в пределах заданной погрешности ε. Следующее условие должно выполняться по крайней мере для k последовательных R-пиков:
∃k > 1⎜ji+m– ji⎜ < e.
Параметр k заранее не задан. Но, чтобы быть совместимым с описанием «параллельных горизонтальных линий» во время координации, необходимо выполнить условие: k≥m. Эта процедура позволяет обнаруживать структуру параллельных горизонтальных линий уже с длиной 2m последовательных относительных расстояний ji. Например, координация 4:1 может быть идентифицирована уже в минимальной последовательности из 8 R-пиков. В случае обнаружения координации соответствующие R-пики отмечены как скоординированные. Для определения горизонтальных структур для разных соотношений m:n этот метод должен применяться для каждого соотношения m:n.
Результаты и обсуждение
В ходе исследования кардиореспираторной координации у заикающихся и свободно говорящих были рассчитаны и проанализированы описанные выше показатели.А. Частота инспираторных циклов определенного соотношения m:n, наиболее частое соотношение m:n.
Согласно полученным данным на один инспираторный цикл приходилось разное число R-пиков. Были зарегистрированы следующие соотношения m:n: 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, 10:1, 11:1, 12:1, 13:1 а также 7:2, 9:2, 11:2. У двоих пациентов из группы заикающихся зарегистрированы соотношения 18:1 и 26:1. Общее число соотношений и доля инспираторных циклов с определенным m:n среди всех зарегистрированных инспираторных циклов представлена на диаграмме (рис. 2).
У заикающихся наиболее часто встречались соотношения: 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1. Наиболее часто встречались соотношения 5:1 — 22,7% среди всех инспираторных циклов, зарегистрированных в группе заикающихся пациентов, 4:1 — 11,8% и 6:1 — 18,5%. У свободно говорящих наиболее часто встречались соотношения: 3:1, 4:1, 5:1, соответственно в 55 (28,1%), 57 (29,1%) и 41 (20,9%) случаях.
С помощью критерия χ2 было выявлено статистически значимое различие (p<0,05) распределения частот встречающихся соотношений m:n у свободно говорящих и заикающихся субъектов (Chi-Square=234,5875, df=13, p=0,000000).
Б. Средняя длина инспираторной последовательности из n дыхательных циклов с определенным соотношением m:n.
Для заикающихся средняя длина последовательностей m:n составила 2,9±0,8 цикла (Mn=3), для свободно говорящих — 6,8±4,6 цикла (Mn=4) (рис. 3).
Статистически значимых различий средней длины последовательностей между группами заикающихся и свободно говорящих c помощью критерия U Манна — Уитни не выявлено (U=340,0, p=0,181314).
Расчетная мощность теста (1–β) составила 18,6%. Для того чтобы найти различия между группами, если они могут быть найдены с приемлемой величиной ошибок I рода (α=0,05) и II рода (β=0,2), число субъектов в двух группах должно быть не менее 31 в каждой группе.
В. Пропорция (доля) дыхательных циклов в инспираторной последовательности среди всех дыхательных циклов.
Комплексы из следующих друг за другом инспираторных циклов с одинаковым соотношением m:n формируют последовательности длины k. Минимальная длина такой последовательности составляет k=2. Чем длиннее последовательность, тем более устойчива координация дыхания и R-пиков.
Для вычисления 95% доверительного интервала для пропорции использовался точный метод Клоппера — Пирсона. Для заикающихся пропорция (доля) дыхательных циклов в последовательности среди всех дыхательных циклов составила 35,14% (29,86%; 40,71%) (110 из 313 циклов). Для свободно говорящих субъектов пропорция (доля) дыхательных циклов с одинаковым соотношением m:n в последовательности среди всех дыхательных циклов составила 55,1% (47,85%; 62,2%) (108 из 196 циклов).
Для оценки ассоциации указанного показателя с заиканием рассчитывались показатель относительного риска, его стандартная ошибка и 95% доверительный интервал [11]. Если рассчитанный 95% доверительный интервал относительного риска включал значение 1, то ассоциация принималась статистически незначимой (p>0,05).
Расчетный относительный риск составил 0,64 (0,48;0,62), что указывает на статистически значимую (p<0,05) ассоциацию встречаемости последовательности дыхательных циклов в записи с наличием заикания у субъекта.
Г. Доля инспираторных циклов в последовательностях из всех инспираторных циклов с Dj, не превышающих значения принятой погрешности e.
Для заикающихся 11 разностей фаз менее погрешности из имеющихся 252 разностей фаз составляет 4,4% (2,2%; 7,7%). Для свободно говорящих 19 разностей фаз менее погрешности из 168 разностей фаз составляет 11,3% (6,9%; 17,1%).
Расчетный относительный риск составил 0,386 (0,189; 0,79), что указывает на статистически значимую (p<0,05) ассоциацию доли Dj, соответствующих погрешности e всех Dj в записи с наличием заикания у субъекта. Доля повторяющихся фаз в инспираторных циклах у заикающихся больных меньше, чем у свободно говорящих пациентов.
Визуализация кардиореспираторной синхронизации проводилась отдельно для заикающихся пациентов и свободно говорящих. Далее на рисунках представлены примеры синхрограмм отдельных пациентов из этих групп. Хотя указанный подход является эвристическим, менее доказательным, наглядность этой процедуры дает легко интерпретируемые результаты.
На синхрограмме заикающегося пациента не видны горизонтальные линии (рис. 4).
На синхрограмме свободно говорящего субъекта можно легко обнаружить воспроизводимое соотношение R-пиков и инспираторных циклов 4:1 (рис. 5). Интерес представляют не только повторение фаз, но и систематический сдвиг в этом повторении, благодаря которому из точечных значений фаз появляются линии, направленные под определенным углом к оси абсцисс. Эти линии будут появляться в том случае, если значение ji+m– ji будет постоянным как по знаку, так и по значению как минимум для трех инспираторных циклов. Линии, направленные в сторону увеличения ji, указывают на равномерное во времени увеличение времени R-пика по отношению к предыдущему моменту вздоха и наоборот.
Обсуждение результатов
При анализе синхрограмм было обнаружено статистически значимое различие (p<0,05) распределения частот встречающихся соотношений m:n у свободно говорящих и заикающихся субъектов (Chi-Square=234,5875, df=13, p=0,000000). Средняя длина последовательностей m:n для заикающихся составила 2,9±0,8 цикла, для свободно говорящих — 6,8±4,6 цикла. Статистически значимых различий средней длины последовательностей между группами заикающихся и свободно говорящих c помощью критерия U Манна — Уитни не выявлено (p>0,05). Для заикающихся пропорция (доля) дыхательных циклов в последовательности среди всех дыхательных циклов составила 35,14% (29,86%; 40,71%) (110 из 313 циклов). Для свободно говорящих субъектов пропорция (доля) дыхательных циклов с одинаковым m:n в последовательности среди всех дыхательных циклов составила 55,1% (47,85%; 62,2%) (108 из 196 циклов). Расчетный относительный риск составил 0,64 (0,48; 0,62), что указывает на статистически значимую (p<0,05) ассоциацию встречаемости последовательности дыхательных циклов в записи с наличием заикания у субъекта.Доля повторяющихся фаз в инспираторных циклах у заикающихся больных меньше, чем у свободно говорящих испытуемых. На это указывает полученное значение относительного риска 0,386 (0,189; 0,79), которое можно интерпретировать как статистически значимую (p<0,05) ассоциацию доли Dj, соответствующих погрешности e всех Dj в записи с наличием заикания у субъекта.
Заключение
Проведенное исследование показало, что количественная характеристика кардиореспираторного взаимодействия у пациентов с заиканием вполне может быть использована для выявления различий в степени его проявления у разных групп пациентов с нарушением ритма дыхания. Хотя до сих пор ведется дискуссия относительно того, связана ли кардиореспираторная координация с физиологическим взаимодействием между задействованными системами, или с другими механизмами (например, уменьшенной изменчивостью по меньшей мере одной из систем) [10], или с влиянием каких-либо стохастических стимулов.Представленные подходы тем не менее показали потерю кардиореспираторной координации у пациентов с заиканием. Следовательно, необходимо дополнительно изучить этот феномен в ходе дальнейших исследований с более однородными выборками.
